冶金史研究方法的探索

冶金史研究方法的探索冶金是人类文明的基础。铸铜、铸铁、冶铁、炼钢的发明是华夏文明繁荣、延续和近代欧洲兴起的物质基础。冶金史是人类文明、科学技术史的重要组成部分，其研究方法与其他科学史、技术史的研究方法具有共同之处，但也有其独特性。北京科技大学冶金与材料史研究所在其30年来的研究工作中，得到全国考古、博物馆工作者的支持和指导，以及国际同行的支持，摸索出一些方法、经验和教训，在此做一简单回顾，供同行专家、学者参考和进一步指导和支持。1文献的收集整理方法1.1古代文献古代文献是我们祖先留给后人的宝贵财富，记载了历史上的科学技术，对古代文献的收集整理是科学技术史研究必不可少的重要方法之一。中国古代文献中有关冶金的记载虽然不多，但为我们了解和研究古代冶金技术提供了宝贵的资料。东汉“越绝书”记载了战国初期吴越著名冶师欧冶子、干将、莫耶的事绩被近代出土的“越王勾践自作用剑”的技术水平所验证。宋代洪咨夔撰写的《大冶赋》全文2671字，以“赋”的文体记载了当时饶州等地的金、银、铜的采、冶技术和铸钱工艺。其中“黄铜”法记述了有关硫化矿石开采、焙烧、冶炼、提银等全部工艺过程，是目前我国所见最早记载硫化铜矿火法冶炼冰铜和铜的文献。《大冶赋》还记载了宋代水法冶铜技术的兴起、发展、传播的过程，其中技术上对“浸铜”、“淋铜”分别作为单独的炼铜技术并立记载，使宋代其他有关水法炼铜文献中的混淆得以澄清。其中有关当时各炼铜场设置及管理机构的记录，是研究冶金手工业发展史的很有价值的史料。明代宋应星所著《天工开物》，较系统地记载了我国古代各种工艺技术，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。其中有关冶金的记载涉及到各种古代金属矿产的开采、冶炼技术，特别是关于炼铁和炒钢2步并联的连续生产工艺、用生铁水灌入熟铁的“灌钢”法等工艺技术的记载，具有一定价值。但是古代文献存在着不可避免的历史局限性，首先，古代文献只记载了有文字以来的历史，无文字的历史还要靠考古发掘来补充。其次，古代文献是古代读书文人的遗作，像冶金这样的工艺技术，在封建社会被视为“奇技淫巧”、“雕虫小技”，文人们一般是不屑于记载的。在封建社会里，一些精艺、绝技往往是家族相传，对外保密，一般不会见诸于文字，致使失传。第三，由于各种原因，文献严重失传，如宋代张甲所著《浸铜要录》、明代溥浚的《铁冶志》等重要冶金专著，都已佚失。另外，由于文人们没有亲自从事工艺实践，也不会长期深入生产现场调查，所以记载的生产过程和工艺技术往往存在偏差。像宋应星这样热衷于工艺技术的知识分子很少，能够深入实际调查已经不易，但所著《天工开物》中对某些工艺记录的错误和疏漏仍然不少。洪咨夔写《大冶赋》，由于“赋”的体裁限制，所记仅为原则性的工艺流程，而未有重要的技术数据。加之文辞华丽古奥，引经据典，令今人阅读非常困难。因此，古文献收集整理虽然是冶金史研究不可忽视的重要方法，但由于存在以上种种局限性，单靠古文献是不能系统、全面了解古代冶金技术的。1.2近现代矿冶文献我国近代开始到上世纪初的地质矿产调查，多是由受了科学教育的地质、冶金工作者进行的，因此调查报告和资料较之古文献具有较高的科学性，不仅对发展我国的采矿冶金工业具有重要意义，也为今人研究古代冶金提供了宝贵的资料。例如关于镍白铜的产地、规模和数量，在明清时期的文献中有不少记载，但关于生产技术的描述甚为含糊。如清同治九年刻本《会理县志》中记有“煎获白铜需用青、黄二矿搭配”，虽指出冶炼白铜的原料，但未言及冶炼过程，亦不知青、黄二矿为何物。而查阅我国早期的地质资料，就会发现所记内容不仅明确而且多用专业名词，使今人极易读懂。如于锡猷先生于1940年写的《西康之矿业》中对生产镍白铜的矿产有如下记载：“会理镍矿发现后，即有人用铜矿与之混合冶炼，然不知其为镍，故呼之为白铜矿。人从其带有黑色，又呼之为青矿”。他还详细记述了镍白铜的冶炼过程，为后人研究古代镍白铜的冶炼工艺提供了清晰的流程。从中不仅可知镍白铜的原料配比、冶炼设备，还知道冶炼的中间产物和最终产物，以及冶炼步骤。因此，地质矿产资料的收集整理是文献研究的重要内容，也是冶金史研究的重要方法之一。2调查研究的方法2.1矿冶遗址考察矿冶遗址保留有古代采矿冶金的大量信息，如古矿洞、矿石、采矿工具、残炉壁、炉基、炉渣、风管、坩埚、陶范等遗物，是今人研究古代冶金技术的珍贵资料。与考古工作者合作对遗址的年代、性质进行考察、收集冶金遗物做进一步的分析是冶金史研究的又一重要方法。例如对湖北大冶铜绿山古矿冶遗址的发掘调查，发现那里展现了我国古代地下采矿的一整套技术，从井巷开掘、支护到矿石运输、提升，直到通风、照明、排水等。是研究古代采矿技术难得的资料。对河南郑州古荥镇汉代河南郡第三冶铁作坊遗址的考察，从那里发现的六块巨大“积铁”实为炼铁炉不顺行的炉缸积铁(Salamander)，它反映了炉缸尺寸、炉容、冶炼技术的发展过程和汉代早期的冶炼技术和规模。据此复原出汉代椭圆形高炉炉缸的大小，从积铁边缘竖立的条状铁瘤高度及与积铁的夹角，推算出鼓风口的位置及高炉的炉身角，从而推算出汉代高炉的高度及容积，从而展现了我国汉代冶铁规模之大和冶铁业的兴旺发达。再如上述关于白铜的冶炼，文献(县志)有“九炼”记载，1984年经拜访耄耋冶工，得知“九炼”即多次冶炼、出炉，反复氧化，再与硫化矿作用，获得铜镍合金。实地调查使我国古代镍白铜冶炼工艺真相得以大白。2.2传统工艺调查我国是一个具有很强传统继承性的国家。许多工艺技术往往是代代相传，经世不绝。因此，调查研究现存的传统工艺对了解古代技术成果有着十分重要的价值。如安徽芜湖铁画、浙江龙泉宝剑、南京金箔和锡箔不仅有着悠久的历史，而且近年来基本还在延续传统方法继续生产。对其进行调查研究，不仅对了解古代精湛的工艺技术，而且使之继续流传、不至于绝迹，利用现代冶金理论、当代检测分析技术进行研究、加以发展，对弘扬传统文明有着重要意义。土法冶铸技术在我国一些偏远地区仍在延续，如山西晋城、平定、阳城的坩埚炼铁、贵州赫章、四川会理、湖南常宁的土法炼锌、云南鹤庆土法炼铅、山西阳城铸造犁镜(我国两汉之交发明，利用表面观察控制温度，保证产品具有高质量，供出口东南亚)的生产等，调查研究这些古代流传下来的工艺，是了解古代冶金技术的重要方法。随着社会的发展、技术的进步，基本建设用地的增加，土法生产逐渐被淘汰，地面古代遗存不可避免地遭遇破坏。随着岁月的流逝、老艺人、老工匠越来越少。传统工艺、土法生产的抢救性保护迫在眉睫，因此调查研究的方法更加重要。3检测与实验的方法3.1样品的检测分析利用现代分析仪器和方法对古代金属器物的成分、组织和炉渣、炉壁、陶范等冶铸遗物进行分析检测研究，是冶金史研究的重要方法和特色之一。古代金属材料的成分、组织在一定程度上反映着当时的工艺技术。通过对金属样品细致观察、分析工艺，有目的有计划取样，进行科学目的明确地检测分析，运用化学、电化学、冶金学、金属学等方面的知识、原理对分析结果进行研究，可以得到重要的发现。如通过金相研究方法，鉴定了被遗置仓库角落中的江苏六合程桥东周墓出土的铁丸，发现它是一件生铁制品。湖南长沙杨家山楚墓出土的铁鼎，是铸造白口生铁。说明我国在公元前6世纪不仅出现生铁，还铸造成实用器。河南洛阳水泥厂出土的铁锛，具有表面为钢中心为白口铁的组织，说明此铸铁锛经过脱碳退火处理，产品称为脱碳铸铁。同遗址出土的铁铲，基体为铁素体，有团絮状石墨，证明其为白口铁经退火处理得到的展性铸铁制品。通过以上检测，揭示出我国是世界上发明生铁最早的国家，展性铸铁早于欧洲2200余年。液态生铁铸造较之西方块炼铁锻打成器的生产效率要高得多，展性铸铁技术的发明，进一步改善了白口铁的脆性，使得铸铁得以大量、广泛应用于农业生产，工具和铁耕导致了战国秦汉的农业发展，为我国封建社会的发展、世界上唯有的二千五百年连续不断的中华文明提供了物质基础。二千五百年后的今天，随着社会主义经济建设和改革开放，我国重登世界最大钢铁大国的宝座。冶金遗物含有重要的古代冶金信息。比如炼渣，是冶炼反应平衡中的一相，在冶炼温度下呈熔融状态，能反映冶炼的过程。炼渣是冶炼过程丢弃物，被排放到炉外冷却凝固后，具有良好的封闭性，能提供比其他冶炼产物更准确的冶金信息。通过研究炼渣中的成分、在矿相显微镜下检测渣的物相，根据现代炼铜学的原理对分析、检测结果进行研究，结合环境的作用、变化可以了解渣的性质，判断冶炼过程。如根据炼铜渣中的铜和硫赋存状态和二者含量之比，可以区分是冰铜渣还是还原渣，从而判断炼铜是采用的硫化矿还是氧化矿工艺。应当指出的是，检测分析样品的选择应是有目的性的，是为解决所要研究的问题而做分析，而不是样品分析得越多越好。否则分析出大量数据，说明不出问题、道理，只能是浪费时间和辛苦创造、积累的经费。此外，分析所用仪器设备的选择，也是以解决问题为目的，而不是越先进越好。否则有杀鸡用牛刀之嫌，造成不必要的浪费。3.2实验模拟为了探求古代金属冶炼与铸造技术，在理论研究的基础上，有选择的进行必要的模拟实验是冶金史研究的又一重要方法。通过实验有助于了解古代技术的奥秘、解决考古学上有争论的问题。例如对我国山东胶县三里河龙山文化晚期遗址出土的黄铜锥，陕西姜寨仰韶文化晚期遗址出土的黄铜片曾引起考古界的关注及争论。因为金属锌的冶炼比较困难，锌的沸点低，只有906℃，氧化锌在950℃～1000℃才能较快还原成锌。还原温度高于锌的沸点，得到的是锌蒸汽，如果没有特殊的冷凝装置，在还原炉冷却时，锌蒸汽被炉气中的CO2再氧化成氧化锌，则得不到金属锌。因此，在四千年前的古代，不可能冶炼出金属锌。那么早期黄铜是怎样得到的呢？为此，进行了实验室模拟冶炼试验。通过用木炭还原混合的氧化亚铜(Cu2O)和氧化锌(ZnO)及还原混合的孔雀石和菱锌矿的模拟实验，分别获得黄铜。前者得到无数黄铜珠，含锌最高达到34.3%，此成分的黄铜熔点低于940℃，故在炉内还原温度(950℃)下已溶化，凝固后呈细小珠状；后者黄铜含锌量最高达18%，最低的为4%，此成分的黄铜在还原炉温下没有达到其熔点，故保留原料孔雀石的块状，连原孔雀石纹理都清晰存留，说明炉内发生的是气固反应。孔雀石在较低温度下就可被固态还原成铜，当菱锌矿被还原成的气态锌扩散其中时，进行气固反应，从而生成黄铜。模拟实验表明，在古代炉温不高的原始条件下，用木炭还原铜锌混合矿是可以得到黄铜的。随后对用氧化型铜锌矿冶炼黄铜的过程进行了热力学计算，结果进一步证实冶炼温度在950℃～1200℃用碳还原铜锌混合矿或共生矿都可得到黄铜。这种冶炼在新石器晚期烧陶技术水平下是可以达到的。所以早期黄铜锥和片是古人炼铜初始阶段，在原始冶炼条件下偶然得到的产物。这一结果原被美国著名冶金学家JohnW.Cohn视为不可能，在了解实验过程及结果后，完全信服。在黑漆古、绿漆古的形成机理研究，三十炼、百炼钢的研究与探讨以及五十炼钢刀的预报和发现，黑陶、灰陶烧成的探索，用煤炼铁起源的分析，乌铜、斑铜形成机制研究，陨铁制器的鉴定等等，也都通过观察、分析、假说、验证、再观察的过程，配合必要的模拟实验，以减少研究环节中的重复，避免文物的伤损。以上实例说明了模拟实验在冶金史研究中的重要意义。但需要指出的是有时用现代方法模拟某种古代工艺技术的实验成功，并不证明这是古代唯一采用的工艺技术。应从多种角度、种思路考虑问题，才能揭开古代工艺技术的奥秘。4综合研究与社会发展史结合的方法科学技术的进步与人类社会的发展密不可分。冶金史研究的一个重要内容，就是剖析我国古代冶金技术产生、发展的社会背景以及对社会发展的影响。通过综合研究可以更深刻地了解冶金技术创新的背景及历史价值。例如，我国春秋战国时期生铁技术、生铁经退火制造韧性铸铁，以及以生铁为原料制钢技术的发明，标志着生产力的重大进步。对中国乃至世界社会、历史和文明的发展都具有重大影响。(1)生铁技术使得铁制农具大量生产和广泛使用，促进了战国中晚期农业耕作技术的革命性变革，粮食产量大幅度增长。据战国时期在魏国实施变法的李悝估计：一个农民可耕种田百亩(折合现在31.2亩)，一亩可生产粟一石半(折合3